Controle y amplifique altos voltajes de manera efectiva y segura con el amplificador operacional de alto voltaje correcto.

Hay muchas aplicaciones que requieren amplificadores operacionales que pueden operar a altos voltajes (entre 60 V y 100 V) debido a la naturaleza de su señal de entrada o las características de la carga de salida. Estas aplicaciones incluyen controladores piezoeléctricos en impresoras de inyección de tinta y 3D, así como transductores de ultrasonido y otros instrumentos médicos, controladores ATE y fuentes de campo eléctrico.

Estos no son los típicos amplificadores operacionales, ya que deben cumplir con los requisitos de velocidad de respuesta ante cargas no resistivas (inductivas, capacitivas), requieren una fuente de alimentación bien regulada y, una vez que los voltajes superan los 60 V, el diseñador se topa con requisitos de regulación estrictos y exigentes. Según la aplicación, también pueden ocurrir eventos de altas corrientes que se deriven en problemas de gestión térmica.

Para resolver estos problemas, hay amplificadores operacionales estándar monolíticos e híbridos de alto voltaje basados en procesos especiales. Sin embargo, estos requieren consideraciones especiales en su selección, diseño y disposición para cumplir de manera consistente y segura con los objetivos de diseño del sistema. Este artículo analizará el uso de amplificadores operacionales de mayor voltaje (>100 V) en sus aplicaciones únicas (pero sorprendentemente) comunes, y cómo utilizarlos con éxito.

¿Por qué existe una necesidad de alto voltaje?

Las aplicaciones representativas para amplificadores operacionales de alto voltaje son numerosas y variadas. La mayoría de estos requieren voltajes más altos y un control preciso a medida que desarrollan la versión de voltaje ganado de su señal de entrada de voltaje más bajo. En la mayoría de los casos, estas no son señales de encendido/apagado de alto voltaje, por lo que se necesita un amplificador lineal en lugar de una función de conmutación de alto voltaje más simple. Algunas de estas aplicaciones, que a menudo requieren una salida bipolar, incluyen las siguientes:

• Controladores piezoeléctricos en impresoras de inyección de tinta, transductores de ultrasonido y válvulas de medición de flujo precisas
• Controladores de equipos de prueba automática (ATE) utilizados para ejecutar completamente otros CI, dispositivos híbridos y módulos
• Instrumentos científicos como los contadores Geiger
• Diodos láser de alta intensidad de los sistemas de imágenes de detección de luz y rango (LiDAR) automotriz
• Creación de campos eléctricos de uso frecuente en pruebas biomédicas en fluidos

Muchos de estos sistemas operan, al menos en parte, a voltajes más altos, pero tienen corrientes bajas a modestas (10 a 100 mA) y por esta razón no se consideran de "alta potencia" en el sentido habitual. Como resultado, el énfasis en el diseño se refiere más al control y la entrega del voltaje necesario que a la gestión del calor generado.

Por ejemplo, un amplificador operacional que suministra 100 V, a 100 mA, a una carga representa una demanda modesta de 10 W desde la fuente (más un poco de energía adicional por pérdidas internas, generalmente del 20 % al 30 %). Si bien este no es ciertamente un escenario de "micropotencia", tampoco es necesariamente un problema térmico, ya que la mayoría de esos 10 W se destinan a la carga y, en consecuencia, no son disipados por los componentes electrónicos. Aún así, la disipación térmica es algo que siempre debe considerarse al planificar un diseño.

Más relacionado a la amplificación de alto voltaje a través de un amplificador operacional, aquí hay algunos problemas generales que enfrenta el diseñador:

• Elegir y aplicar un amplificador operacional adecuado
• Optimizar el rendimiento del dispositivo de alto voltaje
• Proporcionar los rieles de alto voltaje de CC para el amplificador operacional, que pueden ser los mismos que los del suministro de la carga
• Garantizar la seguridad de alto voltaje y cumplir con los mandatos reglamentarios en disposición y construcción

Elegir y aplicar el amplificador operacional

Un amplificador operacional de alto voltaje no es lo mismo que un amplificador tradicional. En general, un amplificador proporciona ganancia de potencia en alguna combinación de voltaje y corriente, y generalmente en una carga resistiva. En contraste, un amplificador operacional está configurado para aumentar el voltaje mientras suministra corriente hasta un máximo especificado a la carga. Además, el amplificador operacional puede configurarse para ganancia fija o ajustable, y puede usarse en una variedad de topologías además del bloque "simple" de ganancia de voltaje.

Históricamente, la mayoría de los procesos de CI (circuito integrado) utilizados para funciones lineales, como los amplificadores operacionales, estaban limitados a un máximo de aproximadamente 50 V. Para crear un amplificador operacional de mayor voltaje, los diseñadores agregaron transistores externos de alto voltaje discretos en la salida para que funcionen como refuerzos de voltaje. Se muestra el uso del op-amp JFET de precisión LT1055 de Analog Devices en un circuito con transistores de refuerzo complementarios para entregar ±120 V (Figura 1).

Figura 1: Un enfoque para producir salidas de amplificador operacional de mayor voltaje es agregar transistores de refuerzo complementario a un dispositivo básico como LT1055 de Analog Devices para aprovechar las características de entrada del amplificador operacional; este diseño lleva la salida a ±120 V (Fuente de la imagen:Analog Devices).

Si bien esto funciona, tiene la desventaja de una BOM más complicada y costosa tan solo en comparación con el CI, así como problemas de disposición inevitables. También es un desafío lograr y mantener un rendimiento simétrico entre los cambios de salida positivos y negativos, y a la vez minimizar la distorsión a través del punto de cruce cero. Estos problemas generalmente son el resultado de componentes no coincidentes (principalmente los transistores NPN y PNP) y el desequilibrio en la disposición física.

La selección de un amplificador operacional de alto voltaje comienza con la evaluación de los parámetros similares a los de cualquier amplificador operacional, aunque los números específicos difieran, por supuesto. De alguna manera, el proceso es sencillo ya que hay relativamente menos ofertas de alto voltaje. Las consideraciones de diseño comprenden tres áreas principales:

1. Los factores de nivel superior son el voltaje de salida, la corriente de salida, el ancho de banda, la velocidad de respuesta y el rendimiento unipolar versus bipolar.
2. Otras cuestiones son las limitaciones de velocidad de respuesta y el tipo de carga, así como los errores de desviación relacionados con la temperatura, que pueden aparecer en forma de onda de salida.
3. Por último, hay problemas de protección contra sobrecarga térmica, exceso de corriente y otros problemas que afectan a todos los amplificadores.

Superar limitaciones

Los diseñadores deben evaluar qué amplificadores operacionales de alto voltaje disponibles no solo cumplen con los criterios obligatorios del n.º 1, sino que tienen especificaciones de error lo suficientemente bajas como para cumplir con los requisitos, y también ofrecen suficiente protección incorporada o pueden adaptarse a una protección externa, como la limitación de corriente.

La adaptación del rendimiento de un dispositivo que casi cumple con todos los requisitos requiere un buen juicio. Por ejemplo, a veces el "mejor" amplificador operacional disponible aún se queda corto en un factor, como la inestabilidad al conducir una carga capacitiva, o una capacidad de corriente de salida suficiente, o una desviación excesiva relacionada con la temperatura. El diseñador debe decidir entre buscar un amplificador operacional diferente, que puede tener un defecto diferente, o tomar el mejor y luego ampliar su rendimiento.

Algunos ejemplos ilustran esta situación:

Cargas capacitivas: ADHV4702-1 de Analog Devices es un amplificador operacional de alto voltaje y precisión (Figura 2). El dispositivo puede funcionar con suministros simétricos duales de ±110 V, suministros asimétricos o un solo suministro de +220 voltios, y puede suministrar salidas de ±12 V a ±110 V por hasta 20 mA.

Su ganancia en lazo abierto de 170 decibelios (dB) (A_OL) es un factor clave en su alto rendimiento. Puede manejar fácilmente cargas capacitivas modestas, pero a medida que esta carga aumenta, los polos de su función de transferencia se desplazan, lo que provoca un pico de salida y una posible inestabilidad debido al margen de fase reducido.

Los diseñadores del amplificador operacional encontraron una solución a este problema. La adición de una resistencia en serie entre la salida y el pin de C_LOAD le permite conducir cargas superiores a 1 microfaradio (µF) (Figura 2).

Figura 2: La colocación de una resistencia en serie (R_S) entre la salida del amplificador y C_LOAD permite a ADHV4702-1 impulsar cargas capacitivas mayores a 1 μF. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Sin embargo, la adición de esta resistencia puede causar un aumento de carga moderado (Figura 3).

Figura 3: R_S en comparación con C_LOAD para un pico máximo de 2 dB para el circuito de la Figura 2 en ganancia unitaria, voltaje de alimentación de ±110 V y V_OUT = 100 V_p-p. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Si incluso 2 dB es un aumento de carga excesivo para la aplicación, ADHV4702-1 admite la compensación externa a través de un capacitor colocado entre su pin de compensación y la Tierra. Mediante la selección adecuada de la resistencia y el capacitor, es posible garantizar la estabilidad con cargas capacitivas con una respuesta casi plana en todo el ancho de banda (Figura 4).

Figura 4: Respuesta de frecuencia de pequeña señal en comparación con la compensación externa para ADHV4702-1 en ganancia unitaria, un suministro de ±110 V, V_OUT = 100 V_p-p, R_f = 0 Ω y C_COMP = 5.6 picofaradios (pF). (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Más transmisión de corriente de salida: El amplificador operacional OPA454AIDDAR de Texas Instruments suministra ±5 V a ±50 V desde un solo suministro de 10 V a 100 V, respectivamente. Esta es la mitad de voltaje nominal de salida que el de ADHV4702-1 (100 V en lugar de 200 V), pero tiene >2 veces la transmisión de corriente (50 mA en lugar de 20 mA). Sin embargo, esta cantidad de corriente de fuente/disipador adicional puede no ser suficiente para algunas cargas, especialmente si la carga comprende cargas más pequeñas en paralelo.

Hay dos opciones que abordan este problema para OPA454. Primero, dos (o más) modelos OPA454AIDDAR se pueden conectar en paralelo (Figura 5).

Figura 5: Colocar dos amplificadores operacionales OPA454AIDDAR en paralelo aumentará linealmente su capacidad de corriente de salida. (Fuente de la imagen: Texas Instruments).

El amplificador A1 funciona como el amplificador maestro y puede configurarse para cualquier configuración de amplificador operacional, no solo como una unidad de ganancia básica. El amplificador A2, que puede ser solo uno o muchos, es un secundario. Se configura como un búfer de ganancia unitaria que rastrea la salida de A1 mientras agrega una corriente adicional de transmisión.

Una alternativa para obtener más corriente que la que un amplificador único o varios esclavos pueden suministrar, es usar transistores de refuerzo de corriente de salida externos (Figura 6).

Figura 6: Una alternativa a la colocación de dispositivos OPA454 en paralelo es usar transistores de salida externos. Esto puede lograr una corriente de salida aún mayor. Aquí, aumentan la corriente de salida a más de 1 amperio. (Fuente de la imagen: Texas Instruments).

Mediante los transistores mostrados, la configuración puede suministrar más de 1 amperio. Sin embargo, a diferencia del uso de amplificadores operacionales OPA454 adicionales, el par de transistores complementarios puede no proporcionar el nivel de rendimiento y linealidad libres de distorsión necesarios. Si se necesita esta corriente más alta y los transistores son la solución preferida, pueden requerirse pares de transistores PNP/NPN complementarios pareados.

Coeficiente de temperatura y desviación: Al igual que con todos los componentes analógicos, el coeficiente de temperatura afecta el rendimiento y la precisión, y la desviación de temperatura de la desviación de entrada (dV_OS/dT) se convertirá en parte de la salida amplificada. Para OPA454, la especificación dV_OS/dT es bastante baja a ±1.6 μV/°C (normal) y ±10 μV/°C (máximo) en el rango de temperatura ambiente especificado de –40 °C a +85 °C.

Si este número es demasiado grande, agregar el llamado amplificador operacional de "desviación cero" como un preamplificador por delante de OPA454 de alto voltaje reducirá la desviación general (Figura 7). Con OPA735 de Texas Instruments ubicado como preamplificador de desviación cero, la desviación de temperatura del amplificador de alto voltaje se puede mantener en la desviación de 0.05 μV/°C (máximo) de la primera etapa, y ofrecer un factor de reducción de 200.

Figura 7: Al agregar el amplificador operacional OPA735 de desviación casi cero en la ruta de entrada de OPA454, se obtiene un circuito de alto voltaje de dos etapas con una desviación de temperatura muy baja en la desviación de entrada. (Fuente de la imagen: Texas Instruments).

Problemas térmicos y protección

Aunque los niveles actuales pueden ser modestos, la disipación interna debida a los voltajes más altos puede ser un problema, según la ecuación potencia = voltaje x corriente. El modelado térmico es esencial; comenzamos con la ecuación básica de la temperatura de la conexión: T_J = T_A + (P_D × Θ_JA), donde T_J es la temperatura de la conexión, T_A es la temperatura ambiente, P_D es la disipación de potencia y Θ_JA es la resistencia térmica del paquete a temperatura ambiente. Este último está determinado por las técnicas de montaje y el entorno, incluidos el disipador de calor, el flujo de aire y el cobre de la placa de CI.

Al reconocer la importancia y la presencia del calor generado, los CI, como OPA454 y ADHV4702-1 incorporan circuitos de apagado térmico. Por ejemplo, los circuitos de OPA454 activan el apagado térmico automático cuando la salida pasa a un estado de alta impedancia al alcanzar una temperatura interna del dispositivo de 150 °C. Permanece en apagado térmico hasta que se enfría a 130 °C, momento en el que se enciende. Esta histéresis evita la oscilación de encendido/apagado de la salida alrededor de un límite térmico.

Los límites de disipación no son solo una función de la potencia de salida estática, sino que también se ven afectados por la frecuencia de operación y la velocidad de respuesta, lo que puede resultar en un calentamiento excesivo de la etapa de salida. Es fundamental estudiar los gráficos del área de operación segura (SOA) para cualquier transmisión de este tipo que comience con la SOA estática de ADHV4702-1 (Figura 8).

Figura 8: Es fundamental estudiar los gráficos del área de operación segura (SOA). El SOA de CC de ADHV4702-1 está representado en el área por las curvas, a temperatura ambiente de 25 °C y 85 °C, con una ganancia de 20 V y un suministro de ±110 voltios. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El SOA dinámico también es una preocupación. ADHV4702-1 presenta un circuito interno de refuerzo de la velocidad de respuesta para lograr su ancho de banda de señal pequeña de 19 megahertz (MHz) y su velocidad de respuesta de 74 V/microsegundo (µs), pero este circuito de refuerzo puede consumir una mayor cantidad de corriente según la señal. Por esta razón, se pueden usar diodos externos con ADHV4702-1 para limitar su voltaje de entrada diferencial (Figura 9).

Figura 9: Los diodos externos en la entrada de ADHV4702-1 protegen al dispositivo de los efectos térmicos de la alta corriente del circuito de refuerzo y limitan su voltaje de entrada diferencial. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Esto protege al amplificador en la operación dinámica, pero limita la velocidad de respuesta y el gran ancho de banda de señal y, por lo tanto, limita la corriente producida por el circuito de aumento de respuesta y reduce la disipación de potencia interna (Figura 10).

Figura 10: SOA dinámico a temperatura ambiente de 25 °C y 85 °C, con y sin diodos de sujeción, bajo las mismas condiciones que el SOA estático. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

No todos los controladores de alto voltaje incluyen protección térmica, ya que el SOA amplio hace que un circuito interno sea demasiado restrictivo. Por ejemplo, PA52 de Apex Microtechnology es un amplificador de alto voltaje y alta potencia que puede ofrecer hasta 40 amperios (continuos)/80 amperios (pico) a una velocidad de respuesta de 50 V/µs a través de una oscilación de voltaje unipolar o bipolar de 200 V. Dado que los niveles de disipación pueden ser tan altos, el gráfico SOA de este dispositivo es un elemento crítico en el diseño del sistema, que abarca los modos de CC y por pulsos (Figura 11).

Figura 11: El SOA para un amplificador de alto voltaje (±100 V) y alta corriente (80/40 amperios), como PA52 de Apex Microtechnology, varía en un amplio rango según esté operando en estado estable o en modo por pulsos. (Fuente de la imagen: Apex Microtechnology)

Para PA52, lo más probable es que los diseñadores quieran agregar una resistencia de detección de corriente de lado alto entre la salida y la carga para medir la corriente de salida y así evaluar la potencia. Dimensionar esta resistencia es siempre una compensación entre un valor de resistencia alto frente a un valor de resistencia más bajo. Una resistencia más alta proporciona una señal más grande y una relación señal/ruido (SNR) más alta, mientras que una resistencia más baja minimiza la autodisipación de la resistencia y reduce el suministro de la potencia de salida.

Un buen punto de partida es seleccionar el valor de la resistencia de modo que el voltaje desarrollado a través de este sea de 100 mV a la corriente de carga máxima. Además, el circuito de detección deberá ser compatible con altos voltajes de modo común (CMV). En la mayoría de los casos, un circuito de detección aislado es una necesidad por múltiples razones: la integridad de la señal detectada, la protección del resto de los circuitos y la seguridad del usuario.

Cuestiones de suministro y normativas

Un amplificador de alto voltaje es mucho más que un esquema y una BOM, ya que los detalles de la disposición física se vuelven fundamentales. Para los circuitos que funcionan por encima de los 60 V, existen problemas y estándares de seguridad de implementación (el valor real depende de la aplicación final y el país/región). Para estos diseños de mayor voltaje, los usuarios deben decidir cómo separar los voltajes más altos de los más bajos y más seguros. Esto puede involucrar uno o más medios mecánicos como barreras, interbloqueos, aislamiento o espaciado.

Además, la disposición debe cumplir con los mandatos reglamentarios para las dimensiones mínimas de distancia eléctrica y espacio libre para los componentes y las trazas de la placa de circuitos, de modo que no se puedan producir arcos eléctricos ni explosiones. Estas dimensiones son una función del voltaje y el entorno operativo previsto (humedad y polvo frente a un entorno limpio y seco). Puede tener sentido utilizar un consultor experto en estas áreas, ya que los estándares son complicados y tienen muchas sutilezas, mientras que el proceso de aprobación formal requiere tanto un análisis de la disposición del diseño, la construcción, los materiales y las dimensiones, como un modelo de prueba para probarlo.

En principio, un suministro de CA/CC o CC/CC de voltaje bajo a alto es sencillo y puede construirse mediante un rectificador de onda completa (para CA) junto con un circuito multiplicador de voltaje compuesto por diodos y capacitores. Sin embargo, hay muchos problemas prácticos en el diseño de suministro de alto voltaje, como garantizar que estos dispositivos pasivos tengan los valores nominales adecuados.

Incluso la colocación del suministro es un problema. En las aplicaciones que solo tienen un suministro de bajo voltaje (del orden de decenas de voltios o menos) puede tener sentido colocar cables de menor voltaje en un multiplicador de voltaje bloqueado ubicado cerca de las funciones del amplificador operacional de alto voltaje. Sin embargo, el consumo de corriente a un voltaje más bajo significa una caída adicional de la resistencia de corriente (IR) y la pérdida de energía de I²R en esos cables, y eso puede superar las ventajas de la separación. La otra opción es ejecutar los cables de alto voltaje para la distancia, y reducir así las pérdidas y a la vez agregar restricciones de seguridad y reglamentarias.

La decisión de crear frente a comprar

Independientemente de la ubicación, a menos que el equipo de diseño tenga conocimientos y experiencia, generalmente tiene sentido comprar el suministro de alto voltaje en lugar de intentar diseñarlo y construirlo. Hay muchos problemas con estos suministros y obtener la certificación es difícil. Una fuente de alimentación hace mucho más que simplemente tomar una entrada de voltaje y transformarla en la salida deseada:

• Debe ser precisa y estable.
• Debe cumplir con los objetivos de rendimiento de ondulación y transitorio.
• Debe incorporar diversas características de protección y apagado.
• Tiene que cumplir con los estándares EMI.
• También puede ser necesario aislarse galvánicamente.

Hay muchos suministros de alto voltaje disponibles que van desde modelos de baja corriente hasta modelos que pueden suministrar varios amperios o más. Por ejemplo, FS02-15 de la división de Alto Voltaje EMCO de XP Power, es un módulo de alto voltaje aislado montado en la placa de CI (Figura 12). Mide 2.25 in de largo × 1.1 in de ancho × 0.5 in de alto (57 mm × 28.5 mm × 12.7 mm), funciona con una fuente de alimentación de 15 voltios de CC y proporciona 200 V (±100 V) a 50 mA. El módulo cumple con todos los requisitos regulatorios y de rendimiento al mismo tiempo que incorpora las características que ahora son estándar y se esperan en un suministro con todas las funciones.

Figura 12: Los suministros listos para usar, como FS02-15 de XP Power, que ofrece ±100 V a 50 mA desde un riel de suministro de 12 voltios, eliminan los problemas de diseño y normativos asociados con el suministro seguro de energía aislada para amplificadores operacionales de alto voltaje. (Fuente de la imagen: XP Power)

Conclusión:

Los amplificadores operacionales de alto voltaje son una necesidad en muchos sistemas electrónicos que abarcan instrumentación, medicina, física, transductores piezoeléctricos, diodos láser y más. Si bien los diseñadores pueden recurrir a amplificadores operacionales compatibles con estos voltajes, sus atributos y limitaciones deben entenderse claramente dadas las implicaciones de rendimiento, térmica, regulaciones y seguridad de su operación de >100 voltios.